KR101357670B1 - Forward osmosis membrane packed with draw material, the preparing method thereof and the forward osmosis apparatus comprising the same - Google Patents
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Abstract
본 발명의 목적은 유도물질 내재형 정삼투 분리막 및 이의 제조방법을 제공하는 데 있다. 이에, 본 발명은 다공성 지지체층; 상기 다공성 지지체 일면에 물리적 또는 화학적으로 고정되고 삼투압을 유발하는 유도물질을 포함하는 유도물질층; 및 상기 유도물질층 상에 코팅된 활성층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 유도물질 내재형 정삼투 분리막을 제공한다. 또한, 본 발명은 삼투압을 유발하는 유도물질을 제조하여 다공성 지지체층의 일면에 상기 유도물질을 물리적 또는 화학적으로 고정시켜 유도물질층을 형성하는 단계(단계 1); 및 상기 유도물질층의 표면에 활성층을 코팅하는 단계(단계 2);를 포함하는 상기의 유도물질 내재형 정삼투 분리막의 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 삼투압을 발생시키는 유도물질이 막에 내장되어 있으므로, 종래의 방식과 같이 분리막을 투과한 투과용액이 유도물질과 혼합되지 않아 이를 분리해내기 위한 유도용액 재생장치를 설치하지 않을 수 있다. 따라서 공정상 경제성이 향상될 수 있는 효과가 있다. It is an object of the present invention to provide an intrinsic intrinsic forward osmosis membrane and a method for producing the same. Thus, the present invention is a porous support layer; An inducer layer physically or chemically fixed to one surface of the porous support and including an inducer inducing osmotic pressure; And an active layer coated on the inducer layer; provides an inductive material-integrated forward osmosis membrane comprising a. In addition, the present invention comprises the steps of preparing an inducing material to induce osmotic pressure to form the inducer layer by physically or chemically fixing the inducer to one surface of the porous support layer (step 1); And coating an active layer on the surface of the inducer layer (step 2). According to the present invention, since the inducing material for generating osmotic pressure is embedded in the membrane, the permeate solution that has permeated through the separator is not mixed with the inducing material as in the conventional method, so that an induction solution regeneration apparatus for separating the separation may not be installed. have. Therefore, there is an effect that the economic efficiency of the process can be improved.
Description
본 발명은 유도물질 내재형 정삼투 분리막, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 정삼투 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an intrinsic material-type forward osmosis membrane, a method for preparing the same, and an forward osmosis device including the same.
현재 기존의 역삼투 분리막(RO, reverse osmosis membrane)을 이용한 해수담수화 공정에 비해 에너지 저감 효율이 높은 분리막에 대한 연구가 이루어지고 있다. 그 대표적인 연구가 정삼투 분리막(FO, forward osmosis membrane)에 대한 연구라 할 수 있다.일례로 기존 역삼투 분리막 공정의 경우 2 - 4 kwh/ton의 에너지가 소비되었으나, 정삼투 분리막 공정의 경우 이론적으로 2 - 1.5 kwh/ton 정도로 에너지 소비량을 저감할 수 있는 것으로 나타난다.
Currently, research on a membrane having high energy reduction efficiency is being performed compared to the seawater desalination process using a conventional reverse osmosis membrane (RO). The representative study is a study on forward osmosis membrane (FO). For example, the conventional reverse osmosis membrane process consumed 2-4 kwh / ton of energy, but the forward osmosis membrane process was theoretically used. As a result, energy consumption can be reduced to about 2-1.5 kwh / ton.
정삼투 분리막의 수투과 메커니즘을 살펴보면, 기존의 역삼투 분리막과 유사한 분리막을 통해 정삼투가 수행된다. 즉, 반투막(semipermeable membrane)을 중심으로 일면은 해수와 같이 염 등을 포함한 처리하고자 하는 혼합수가 접하고 타면은 혼합수보다 화학적 포텐셜(chemical potential)이 높은 유도물질이 혼합되어 있는 유도용액이 접해 화학적 포텐셜의 차이에 의해 발생되는 삼투압에 의해 분리투과가 이루어진다.
Looking at the water permeation mechanism of the forward osmosis membrane, forward osmosis is carried out through a membrane similar to the conventional reverse osmosis membrane. In other words, one side of the semipermeable membrane has a chemical potential due to contact with a mixed water to be treated, including salt, such as sea water, and an induction solution containing an inducer having a higher chemical potential than the mixed water. Separation is achieved by osmotic pressure generated by the difference of.
이와 같은 정삼투 분리막 공정은 도 1에 나타낸 바와 같이 기존의 역삼투 분리막과 같이 염을 배제할 수 있는 분리막을 중심으로 유입수부(Feed side;해수, 폐수 등을 포함한 처리하고자 하는 공급수)와 투과부(Permeate side;삼투압을 유발시킬 수 있는 유도물질(draw material)을 포함하는 유도용액(draw solution))가 있으며, 이와 함께 투과부에는 분리막을 통해 투과된 투과수와 유도용액(draw solution)을 분리하는 유도용액 재생장치로 구성되어 있다. 유도용액 재생장치는 투과수로부터 유도물질(draw material)를 분리, 회수 및 용해과정을 걸쳐 유도용액을 분리막의 투과부를 순환하도록 구성된다.
The forward osmosis membrane process, as shown in Figure 1, the inlet (Feed side; feed water to be treated including sea water, waste water, etc.) and permeate centered around the separator that can remove salts, as in the conventional reverse osmosis membrane (Permeate side; draw solution containing a draw material that can induce osmotic pressure), and in the permeate part to separate the permeate and draw solution permeated through the separation membrane It is composed of an induction solution regeneration device. The induction solution regeneration apparatus is configured to circulate the induction solution through the permeation of the separation membrane through the process of separating, recovering and dissolving draw material from the permeate.
이하, 정삼투 분리막 공정을 각 구성요소별로 살펴보면 하기 제시된 바와 같다. 첫째로, 상기 정삼투 분리막 공정의 정삼투 분리막에 있어서, 기존의 역삼투막과 같이 폴리설폰(ploysulfone) 등의 유리상고분자들을 이용하여 제조된 다공성 지지체(porous supporter) 위에 계면중합(interface polymerization)을 통해 폴리아마이드(polyamide) 박막형태로 코팅한 TFC 막(thin film composite membrane) 형태로는 아직 상용화되지 않았다.
Hereinafter, looking at the forward osmosis membrane process for each component is as shown below. First, in the forward osmosis membrane of the forward osmosis membrane process, like the conventional reverse osmosis membrane, poly by interface polymerization on a porous support (porous supporter) prepared using glassy polymers such as polysulfone (ploysulfone), etc. It has not been commercialized in the form of a thin film composite membrane coated with an amide (polyamide) thin film.
동시에, 현재 HTI사에서 정삼투막으로 상용화된 셀룰로스(cellulose)계 고분자막(CTA 막)이 있으며, HTI사의 CTA막은 평막(sheet membrane) 형태로 두 종류의 분리막을 시판하고 있고 편의상 일반적으로 카트리지 타입(cartridge type)과 파우치 타입(pouch type)으로 분류한다. 카트리지 타입의 분리막은 내부에 매시(mesh)가 내재되어 기계적 강도를 유지할 수 있도록 설계되어 있으며 분리막의 매시를 중심으로 대칭구조라는 것이 특징이라 할 수 있다. 이와 달리 파우치 타입의 분리막은 조밀한 부직포 위에 CTA고분자를 캐스팅(casting)한 방법으로 제조된 비대칭구조의 분리막이 있다. 상기 HTI사의 정삼투 전용 분리막은 염배제율이 비교적 우수한 편이나 NaCl 0.6 mol. 기준의 유도용액에서 수투과도가 약 7 LMH로 매우 낮은 수투과도를 나타내고 있다. 따라서 현재 국내외적으로 정삼투 분리막 개발과 관련된 연구들이 매우 다양하게 수행되고 있다.
At the same time, there are currently cellulose-based polymer membranes (CTA membranes) commercialized by HTI as forward osmosis membranes, and HTI's CTA membranes are commercially available in the form of sheet membranes. categorizes into cartridge type and pouch type. The cartridge type separator is designed to maintain mechanical strength by having a mesh embedded therein, and may be characterized by a symmetrical structure around the mesh of the separator. In contrast, the pouch type separator has an asymmetric separator manufactured by casting CTA polymer on a dense nonwoven fabric. The HTI forward osmosis membrane is relatively good salt rejection NaCl 0.6 mol. The water permeability of the reference induction solution was about 7 LMH, indicating a very low water permeability. Therefore, researches related to the development of forward osmosis membranes are being conducted in various countries at home and abroad.
또한, 현재 유도용액, 화학적 포텐셜을 발생시킬 수 있는 유도물질에 대한 연구가 다각적으로 이루어지고 있으나 아직 정삼투 분리막 공정에 맞는 뚜렷한 유도물질은 개발되어 있지 않은 실정이다. 이에 화학적 포텐셜 즉, 삼투압의 발현이 높고, 물에 대한 용해도가 크며 분리회수 및 재용해 즉, 재생이 용이한 용질이 요구되고 있다.
In addition, induction solutions and induction materials that can generate chemical potential have been studied in various ways, but no clear induction materials suitable for the forward osmosis membrane process have not been developed. Therefore, there is a demand for a solute having high chemical potential, that is, high osmotic pressure, high solubility in water, easy recovery and re-dissolution, that is, regeneration.
현재 연구되고 있는 용질로는 크게 유기유도물질(organic draw solute)로 메틸이미다?(methylimidazole) 유도체, 무기유도물질(inorganic draw solute)로 암모니아 바이카보네이트(ammonia bicarbonate) 및 입자유도용질(particle draw solute)로 iron(III) acetylacetonate[Fe(acac)3]에 TEG, 2-pyrrolidone 또는 PAA 등을 코팅한 자성나노입자(magnetic nanoparticle, MNP) 등이 있다.
Solutes currently being studied are organic draw solutes, methylimidazole derivatives, and inorganic draw solutes, such as ammonia bicarbonate and particle draw solutes. ), Magnetic nanoparticles (MNP) coated with TEG, 2-pyrrolidone or PAA on iron (III) acetylacetonate [Fe (acac) 3].
이와 같은 다양한 유도물질의 연구에도 불구하고 현재 정삼투 분리막 공정을 구현함에 있어 매우 큰 기술적 장벽은 유도물질의 재사용에 관한 것이다. 즉, 투과부에서 투과수와 유도물질의 분리회수 공정이 매우 복잡하고 많은 에너지가 소모되고 있다는 점이 기술적 문제로 대두되고 있으며, 이를 해결할 수 있는 유도물질에 대한 연구가 수행되고 있다.
Despite the study of various inducers, a very big technical barrier to implementing forward osmosis membrane processes is related to the reuse of inducers. In other words, the technical problem is that the separation and recovery process of permeate and induction material in the permeate is very complicated and consumes a lot of energy, and research on induction materials to solve this problem has been conducted.
이때, 상기 유기유도물질의 경우 막증류(membrane distillation, MD) 방법 등을 이용하여 분리회수한 다음 다시 물에 용해시키는 과정을 걸쳐야 하는데, 이때, 막증류 공정에서의 에너지가 많이 소비되며 또한 공정이 매우 복잡해지는 단점이 있다. 또한, 무기유도물질의 경우 막증류 및 역삼투 방법을 통해 위와 같은 재생 및 용해공정이 이루어짐에 따라 이 역시 많은 에너지 소비와 복잡한 공정이 걸치게 된다는 문제점이 있다. 또한, 이러한 방법과 달리 보다 용이한 방법으로 입자유도물질을 이용하여 분리회수를 자성분리기(magnetic separator)를 이용하려는 시도를 하고 있으나 공정의 특성상 매우 느리게 분리된다는 단점이 있다.
In this case, the organic induction material must be separated and recovered by using a membrane distillation (MD) method and then dissolved in water. In this case, a lot of energy is consumed in the membrane distillation process. This has the disadvantage of becoming very complicated. In addition, in the case of the inorganic inducer, as the above regeneration and dissolution process is performed through the membrane distillation and reverse osmosis method, there is also a problem that it takes a lot of energy consumption and complex process. In addition, unlike this method, an attempt is made to use a magnetic separator using a particle inducing material in an easier method, but has a disadvantage in that the separation is very slow due to the characteristics of the process.
이에, 본 발명의 발명자들은 정삼투용 분리막 및 이를 이용한 공정에 대하여 연구하던 중, 유도물질을 분리막 내에 내재시켜 분리막을 제조하면 유도물질의 분리회수 공정 없이도 정삼투를 수행할 수 있어 공정단계 및 공정상 에너지 효율이 향상된다는 것을 알게 되어 본 발명을 완성하였다.
Thus, the inventors of the present invention, while studying the separation membrane for the forward osmosis and the process using the same, if the preparation of the membrane by embedding the inducer in the separation membrane can be carried out forward osmosis without the separation recovery process of the induction material process step and process It has been found that phase energy efficiency is improved to complete the present invention.
본 발명의 목적은 유도물질 내재형 정삼투 분리막을 제공하는 데 있다. It is an object of the present invention to provide an intrinsic intrinsic forward osmosis membrane.
또한, 본 발명의 목적은 상기의 유도물질 내재형 정삼투 분리막의 제조방법을 제공하는 데 있다.It is also an object of the present invention to provide a method for preparing the inducer-integrated forward osmosis membrane.
또한, 본 발명의 목적은 유도물질 내재형 정삼투 분리막을 포함하는 정삼투 장치를 제공하는 데 있다.It is also an object of the present invention to provide a forward osmosis device including an inductive material-integrated forward osmosis membrane.
나아가, 본 발명의 목적은 상기 정삼투 장치를 이용한 정삼투 방법을 제공하는 데 있다.
Furthermore, an object of the present invention is to provide a forward osmosis method using the forward osmosis device.
이를 위하여, 본 발명은To this end,
다공성 지지체층;A porous support layer;
상기 다공성 지지체 일면에 물리적 또는 화학적으로 고정되고 삼투압을 유발하는 유도물질을 포함하는 유도물질층; 및An inducer layer physically or chemically fixed to one surface of the porous support and including an inducer inducing osmotic pressure; And
상기 유도물질층 상에 코팅된 활성층;An active layer coated on the inducer layer;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 유도물질 내재형 정삼투 분리막을 제공한다.
It provides an inducer-integrated forward osmosis membrane, characterized in that it comprises a.
또한, 본 발명은In addition,
삼투압을 유발하는 유도물질을 제조하여 다공성 지지체층의 일면에 상기 유도물질을 물리적 또는 화학적으로 고정시켜 유도물질층을 형성하는 단계(단계 1); 및Preparing an inducer that induces osmotic pressure to physically or chemically fix the inducer to one surface of the porous support layer to form an inducer layer (step 1); And
상기 유도물질층의 표면에 활성층을 코팅하는 단계(단계 2);Coating an active layer on the surface of the inducer layer (step 2);
를 포함하는 유도물질 내재형 정삼투 분리막의 제조방법을 제공한다.
It provides a method for producing an inductive material-integrated forward osmosis membrane comprising a.
또한, 본 발명은In addition,
유입수가 유입되는 유입구 및 유입수가 유출되는 유출구를 포함하는 유입수부, 유입수부와 일면에서 접하는 상기의 유도물질 내재형 정삼투 분리막 및 상기 분리막의 타면과 접하는 투과부를 포함하되, 상기 유입수부는 상기 분리막의 활성층과 접하고, 상기 투과부는 상기 분리막의 다공성 지지체층과 접하는 정삼투용 셀; 및An inlet part including an inlet for inflow and an outlet for inflow of the inlet, an inlet-type forward osmosis membrane in contact with the inlet part, and a permeate part in contact with the other side of the separator, wherein the inlet part of the separator A cell for forward osmosis in contact with the active layer and in contact with the porous support layer of the separator; And
상기 투과부와 연결되고, 상기 분리막을 통해 투과되어 유입된 투과용액을 투과부로 유동시키기 위한 진공펌프;A vacuum pump connected to the permeation unit and configured to flow the permeate solution introduced through the separation membrane into the permeation unit;
를 포함하는 유도물질 내재형 정삼투 분리막을 포함하는 정삼투 장치를 제공한다.
It provides a forward osmosis device comprising an induction material embedded forward osmosis membrane comprising a.
나아가, 본 발명은Further,
정삼투용 셀에 상기 유도물질 내재형 정삼투 분리막을 장착하되, 상기 분리막의 활성층은 정삼투용 셀의 유입수부와 접하고 상기 분리막의 다공성지지체층은 정삼투용 셀의 투과부와 접하도록 장착하는 단계(단계 1):Mounting the intrinsic material-integrated forward osmosis membrane in the forward osmosis cell, wherein the active layer of the separator contacts the inlet of the forward osmosis cell and the porous support layer of the separator contacts the permeate of the forward osmosis cell. (Step 1):
상기 정삼투용 셀의 유입수부에 유입수를 공급하여 정삼투를 수행하는 단계(단계 2); 및Performing forward osmosis by supplying inflow water to the inflow portion of the forward osmosis cell (step 2); And
상기 단계 2에서 정삼투되어 유입된 투과용액을 전공펌프를 이용하여 투과부로 유동시키는 단계(단계 3);Flowing the permeate solution introduced by osmosis in step 2 to the permeation unit using a electroporation pump (step 3);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 정삼투 방법을 제공한다.
It provides a forward osmosis method characterized in that it comprises a.
본 발명에 따르면, 삼투압을 발생시키는 유도물질이 막에 내장되어 있으므로, 종래의 방식과 같이 분리막을 투과한 투과용액이 유도물질과 혼합되지 않아 이를 분리해내기 위한 유도용액 재생장치를 설치할 필요가 없고, 따라서 공정상 경제성이 향상될 수 있는 효과가 있다.
According to the present invention, since the inducing material for generating osmotic pressure is embedded in the membrane, the permeate solution that has permeated through the separator is not mixed with the inducing material as in the conventional method, and thus it is not necessary to install an induction solution regeneration device for separating it. Therefore, there is an effect that the economic efficiency of the process can be improved.
도 1은 종래의 정삼투 분리막 공정을 나타낸 개략도이고;
도 2는 본 발명에 따른 유도물질 내재성 정삼투 분리막에 있어서, 유도물질로 삼투압을 유도하는 고분자를 코팅한 입자를 사용한 경우의 분리막의 단면을 나타낸 개략도이고;
도 3은 본 발명에 따른 유도물질 내재성 정삼투 분리막에 있어서, 유도물질로 고분자형 이온성 액체를 사용한 경우의 분리막의 단면을 나타낸 개략도이고;
도 4는 본 발명에 따른 유도물질 내재형 정삼투 분리막의 단면을 주사전자현미경으로 관찰한 이미지이다.1 is a schematic view showing a conventional forward osmosis membrane process;
Figure 2 is a schematic diagram showing the cross-section of the separator in the case of using a particle coated with a polymer that induces osmotic pressure as an inducer in the inducer-intrinsic forward osmosis membrane according to the present invention;
3 is a schematic view showing a cross section of the separator in the case of using the polymer type ionic liquid as the inducer in the inducer-intrinsic forward osmosis membrane according to the present invention;
4 is a cross-sectional view of an inductive material-integrated forward osmosis membrane according to the present invention with a scanning electron microscope.
본 발명은The present invention
다공성 지지체층;A porous support layer;
상기 다공성 지지체 일면에 물리적 또는 화학적으로 고정되고 삼투압을 유발하는 유도물질을 포함하는 유도물질층; 및An inducer layer physically or chemically fixed to one surface of the porous support and including an inducer inducing osmotic pressure; And
상기 유도물질층 상에 코팅된 활성층;An active layer coated on the inducer layer;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 유도물질 내재형 정삼투 분리막을 제공한다.
It provides an inducer-integrated forward osmosis membrane, characterized in that it comprises a.
이하, 본 발명을 구성요소별로 상세히 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail for each component.
본 발명에 따른 유도물질 내재형 정삼투 분리막은 다공성 지지체층을 포함한다. 상기 다공성 지지체층은 삼투압을 유발하는 유도물질층을 지지하고, 또한 다공성을 가짐으로써 삼투현상으로 투과된 물을 이동시킬 수 있는 통로를 제공한다. 이때, 상기 다공성 지지체층은 지상구조(finger like structure) 또는 스폰지구조(sponge like structure)일 수 있다.
Inducer-intrinsic forward osmosis membrane according to the present invention comprises a porous support layer. The porous support layer supports the inducer layer that induces osmotic pressure, and also has a porosity to provide a passage through which water permeated through the osmotic phenomenon can be moved. In this case, the porous support layer may be a finger like structure or a sponge like structure.
본 발명에 따른 유도물질 내재형 정삼투 분리막에 있어서, 상기 다공성 지지체는 폴리설폰(PSf, polysulfon), 폴리이서설폰(PES, polyethersulfone), 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF, polyvinyl), 폴리이미드(PI, polyimide), 폴리이서이미드(PEI, polyetherimide), 폴리프로필렌(PP, polypropylene) 및 폴리에틸렌(PE, polyethylene)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종으로 제조되는 것이 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 다공성 지지체들은 상전이 등의 방법으로 다공성으로 용이하게 제조될 수 있고 물리화학적 특성이 우수하여 지지체로 사용될 수 있다.
In the inducer-integrated forward osmosis membrane according to the present invention, the porous support is polysulfone (PSf, polysulfon), polyisulfone (PES, polyethersulfone), polyvinylidene fluoride (PVDF, polyvinyl), polyimide (PI) , polyimide), polyimide (PEI, polyetherimide), polypropylene (PP, polypropylene) and polyethylene (PE, polyethylene) is preferably made of one selected from the group consisting of, but not limited thereto. The porous supports can be easily prepared in a porous manner such as phase transition, and can be used as a support because of excellent physicochemical properties.
본 발명에 따른 유도물질 내재형 정삼투 분리막은 상기 다공성 지지체 일면에 물리적 또는 화학적으로 고정되고 삼투압을 유발하는 유도물질을 포함하는 유도물질층을 포함한다. Inducer-intrinsic forward osmosis membrane according to the present invention comprises an inducer layer comprising an inducer that is physically or chemically fixed to one surface of the porous support and induces osmotic pressure.
본 발명에 따른 정삼투 분리막은 상기 유도물질층을 포함함으로써 유입수의 정삼투를 발생시킬 수 있는 동력을 제공할 수 있다. The forward osmosis membrane according to the present invention may provide a power capable of generating forward osmosis of the influent by including the inducer layer.
또한, 종래의 정삼투 분리막 공정에 따르면 반투막(semipermeable membrane)을 중심으로 한쪽면은 해수와 같이 염 등을 포함한 처리하고자 하는 혼합수가 접하고 그 반대쪽면은 혼합수보다 화학적 포텐셜(chemical potential)이 높은 유도물질이 혼합되어 있는 유도용액이 접해 화학적 포텐셜의 차이에 의해 발생되는 삼투압에 의해 분리투과가 이루어진다. 따라서, 투과부에는 분리막을 통해 투과된 투과수와 유도용액(draw solution)을 분리하는 유도용액 재생장치가 구성되어 있다. 상기 유도용액 재생장치는 투과수로부터 유도물질(draw solute)을 분리, 회수 및 용해과정을 걸쳐 분리막의 투과부를 순환하도록 구성된다.In addition, according to the conventional forward osmosis membrane process, one side of the semipermeable membrane is treated with mixed water to be treated, including salt, such as seawater, and the other side induces higher chemical potential than the mixed water. Separated permeation is caused by osmotic pressure caused by the difference of chemical potentials due to the contact of a mixed solution of substances. Therefore, the permeate part is configured with an induction solution regeneration device for separating the permeate and permeate solution (draw solution) transmitted through the separation membrane. The induction solution regeneration device is configured to circulate the permeate of the separator through the process of separating, recovering and dissolving draw material from the permeate.
그러나 본 발명에 따르면 삼투압을 발생시키는 유도물질이 막에 내장되어 있으므로, 종래의 방식과 같이 분리막을 투과한 투과용액이 유도물질과 혼합되지 않아 이를 분리해내기 위한 유도용액 재생장치를 설치할 필요가 없고, 따라서 공정상 경제성이 향상될 수 있는 효과가 있다.
However, according to the present invention, since the inducing material for generating osmotic pressure is embedded in the membrane, the permeate solution that has permeated through the separation membrane is not mixed with the inducing material as in the conventional method, and thus it is not necessary to install the induction solution regeneration apparatus for separating it. Therefore, there is an effect that the economic efficiency of the process can be improved.
본 발명에 따른 유도물질 내재형 정삼투 분리막에 있어서, 상기 유도물질은 삼투압을 유발하는 고분자를 코팅한 입자 또는 고분자형 이온성 액체인 것이 바람직하다. 상기 삼투압을 유발하는 고분자를 코팅한 입자는 지상 구조(finger like structure) 또는 스폰지구조(sponge like structure)의 다공성 지지체층 상에 형성될 수 있다.
In the intrinsic material-integrated forward osmosis membrane according to the present invention, the inducer is preferably a particle or polymer type ionic liquid coated with a polymer that induces osmotic pressure. Particles coated with the polymer that induces osmotic pressure may be formed on a porous support layer having a finger like structure or a sponge like structure.
또한, 상기 유도물질은 다공성 지지체층 쪽에서 진공펌프를 이용하여 투과된 물을 유동시키는 과정에서 물리적 힘에 의해 추출되지 않는 것이 바람직하다. 이에, 상기 유도물질을 물리적 점착, 화학적 점착 또는 화학결합을 통해 다공성 지지체에 물리적 또는 화학적으로 고정시키는 것이 바람직하다. 상기 고정 방법은 사용되는 유도물질의 종류에 따라 적절히 선택될 수 있다.
In addition, the inductive material is preferably not extracted by the physical force in the process of flowing the water permeated using a vacuum pump on the porous support layer side. Thus, it is preferable to physically or chemically fix the inducer to the porous support through physical adhesion, chemical adhesion or chemical bonding. The fixing method may be appropriately selected depending on the kind of inducer used.
이때, 상기 분리막에 유도물질로서 삼투압을 유발하는 고분자만을 다공성 지지체층 상에 코팅할 경우, 상기 고분자가 치밀층을 이루어 분리막을 투과하여 유입되는 물의 이동에 저항을 제공할 수 있다. 따라서, 입자에 삼투압을 유발하는 고분자를 코팅하고 이를 다공성 지지체 상에 형성시키면, 삼투압을 유발하면서도 입자 사이에 형성된 공간으로 인하여 유입되는 물의 이동에 저항이 발생하는 것을 저감시킬 수 있다.
In this case, when only the polymer that induces osmotic pressure as an inducer to the separator on the porous support layer, the polymer may form a dense layer to provide resistance to the movement of water flowing through the separator. Therefore, by coating the polymer to induce the osmotic pressure on the particles and to form it on the porous support, it is possible to reduce the occurrence of resistance to the movement of the incoming water due to the space formed between the particles while causing the osmotic pressure.
상기 삼투압을 유발하는 고분자는 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리아크릴산(PAA, polyacrylic acid), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmetacrylate), 폴리에틸렌이미드(polyethyleneimide), 셀룰로스 아세테이트(cellulose acetate), 셀룰로스 트리아세테이트(cellulosetriacetate), 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrolidone), 폴리에틸렌글리콜(polyethyleneglycol), 술폰화된 폴리술폰(polysulfone), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide) 및 폴리비닐아세테이트(polyvinylacetate)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 또는 이들의 공중합체인 것이 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 폴리아크릴로니트릴은 하이드록시기, 술폰화기, 카르보닐기, 아세테이트기 및 에스테르기로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 친수성 관능기를 가지는 친수성 화합물과 공중합된 합성고분자를 사용할 수 있다.The polymer causing the osmotic pressure is polyacrylonitrile, polyacrylic acid, polyacrylate, polymethylmethacrylate, polyethyleneimide, cellulose acetate (polyacrylonitrile). consisting of cellulose acetate, cellulosetriacetate, polyvinylpyrolidone, polyethyleneglycol, sulfonated polysulfone, polyethylene oxide and polyvinylacetate It is preferably one or a copolymer thereof selected from the group, but is not limited thereto. In addition, the polyacrylonitrile may be a synthetic polymer copolymerized with a hydrophilic compound having any one hydrophilic functional group selected from the group consisting of hydroxy group, sulfonated group, carbonyl group, acetate group and ester group.
또한, 상기 입자는 자성나노입자일 수 있으나, 상기 삼투압을 유발하는 고분자를 코팅하여 유도물질층으로 사용될 때 공간을 형성하여 유입수에 저항을 제공하지 않을 수 있는 입자라면 이에 특별히 한정되지 않는다.
In addition, the particles may be magnetic nanoparticles, but are not particularly limited as long as the particles may form a space when the polymer which induces the osmotic pressure is used as an inducer layer to not provide resistance to the influent.
한편, 상기 고분자형 이온성 액체는 다공성 지지체 상에 물리적 또는 화학적으로 고정되어 삼투압을 유발할 수 있다.On the other hand, the polymeric ionic liquid may be physically or chemically fixed on the porous support to induce osmotic pressure.
이때, 상기 고분자형 이온성 액체는 이미다졸륨 그룹을 포함하는 유기 양이온; 또는 이미다졸륨 그룹을 포함하는 유기 또는 무기 음이온;인 고분자형 이온성 화합물인 것이 바람직하다. In this case, the polymer type ionic liquid may include an organic cation including an imidazolium group; Or an organic or inorganic anion containing an imidazolium group.
상기 고분자형 이온성 액체는 양이온 및 음이온의 조합에 따라 다양한 물리적, 화학적 특성을 갖는 고분자형 이온성 액체의 구성이 가능하다. 이때, 이미다졸륨 그룹을 포함하는 고분자형 이온성 액체 양이온의 구체적인 예로는 폴리(1-비닐-3-알킬이미다졸륨), 폴리(1-비닐-2-알킬이미다졸륨), 폴리(1-알릴-3-알킬이미다졸륨), 폴리(1-알릴-2-알킬이미다졸륨), 폴리(1-(메트)아크릴로일록시-3-알킬이미다졸륨) 등이 있다. 이때, 상기 고분자형 이온성 액체 양이온에 있어서, 알킬은 수소 또는 C1 내지 C20의 직쇄, 측쇄, 고리형 탄화수소일 수 있으나 선택적으로 N, O, S, P 등의 헤테로 원자를 하나 이상 포함할 수 있다. The polymer ionic liquid may be composed of a polymer ionic liquid having various physical and chemical properties according to a combination of cations and anions. In this case, specific examples of the polymer type ionic liquid cation containing an imidazolium group include poly (1-vinyl-3-alkylimidazolium), poly (1-vinyl-2-alkylimidazolium), and poly (1 -Allyl-3-alkylimidazolium), poly (1-allyl-2-alkylimidazolium), poly (1- (meth) acryloyloxy-3-alkylimidazolium) and the like. At this time, in the polymeric ionic liquid cation, alkyl may be hydrogen or C 1 to C 20 linear, branched, cyclic hydrocarbon, but may optionally include one or more heteroatoms such as N, O, S, and P. Can be.
또한, 고분자형 이온성 액체 음이온으로는 CH3COO-, CF3COO-, CH3SO3 -, CF3SO3 -, (CF3SO2)2N-, (CF3SO2)3C-, (CF3CF2SO2)2N-, C4F9SO3 -, C3F7COO-, (CF3SO2)(CF3CO)N- 등을 사용하는 것이 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니다.
In addition, the polymer electrolyte ionic liquid anions include CH 3 COO -, CF 3 COO -,
본 발명에 따른 유도물질 내재형 정삼투 분리막은 상기 유도물질층 상에 코팅된 활성층을 포함한다. Inducer-intrinsic forward osmosis membrane according to the present invention comprises an active layer coated on the inducer layer.
상기 활성층은 유도물질 상에 박막형태로 코팅되어 유입수에서 염 등과 같은 불순물을 배제하고 순수물만 선택적으로 투과될 수 있는 치밀층이어야 한다. 상기 활성층은 정삼투 분리막 셀에 공급되는 유입수와 대면하도록 위치한다.
The active layer should be a dense layer coated on the inducer in a thin film form to exclude impurities such as salts from the influent and selectively permeate only pure water. The active layer is positioned to face the influent supplied to the forward osmosis membrane cell.
이때, 상기 활성층의 소재는 폴리아마이드(PA, polyamide), 셀룰로스 아세테이트(CA, cellulose acetate) 및 셀룰로스 트리아세테이트(CTA, cellulose triacetate)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종인 것이 바람직하나, 물분자에 대한 선택적 투과성을 갖는다면 이에 한정되는 것은 아니다.
In this case, the material of the active layer is preferably one selected from the group consisting of polyamide (PA, polyamide), cellulose acetate (CA, cellulose acetate) and cellulose triacetate (CTA, cellulose triacetate), but selective to water molecules If it has a permeability, it is not limited to this.
본 발명에 따른 유도물질 내재형 정삼투 분리막은 평막(sheet membrane) 또는 중공사막(hollow fiber membrane)의 형태일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
The inducer-integrated forward osmosis membrane according to the present invention may be in the form of a sheet membrane or a hollow fiber membrane, but is not limited thereto.
또한, 본 발명은 In addition,
삼투압을 유발하는 유도물질을 제조하여 다공성 지지체층의 일면에 상기 유도물질을 물리적 또는 화학적으로 고정시켜 유도물질층을 형성하는 단계(단계 1); 및Preparing an inducer that induces osmotic pressure to physically or chemically fix the inducer to one surface of the porous support layer to form an inducer layer (step 1); And
상기 유도물질층의 표면에 활성층을 코팅하는 단계(단계 2);Coating an active layer on the surface of the inducer layer (step 2);
를 포함하는 유도물질 내재형 정삼투 분리막의 제조방법을 제공한다.
It provides a method for producing an inductive material-integrated forward osmosis membrane comprising a.
이하, 본 발명을 단계별로 상세히 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail by steps.
본 발명에 따른 유도물질 내재형 정삼투 분리막의 제조방법에 있어서, 상기 단계 1은 삼투압을 유발하는 유도물질을 제조하여 다공성 지지체층의 일면에 상기 유도물질을 물리적 또는 화학적으로 고정시켜 유도물질층을 형성하는 단계이다.In the method of manufacturing an inducer-integrated forward osmosis membrane according to the present invention, the
상기 다공성 지지체층은 삼투압을 발생시킬 수 있는 동력을 제공하는 유도물질층을 지지하는 기능을 하고, 다공성을 가짐으로써 삼투현상으로 투과된 물을 이동시킬 수 있는 통로를 제공한다. 이때, 상기 유도물질은 다공성 지지체층 쪽에서 진공펌프를 이용하여 투과된 물을 유동시키는 과정에서 물리적 힘에 의해 추출되지 않는 것이 바람직하다. 이에, 물리적 점착, 화학적 점착 및 화학결합을 통해 다공성 지지체에 물리적 또는 화학적으로 고정시키는 것이 바람직하다. 상기 고정 방법은 사용되는 유도물질의 종류에 따라 적절히 선택될 수 있다.
The porous support layer functions to support the inducer layer providing power to generate osmotic pressure, and provides a passage through which the water permeated into the osmotic phenomenon by having a porosity. In this case, it is preferable that the inducer is not extracted by physical force in the process of flowing the water permeated using the vacuum pump from the porous support layer. Accordingly, it is preferable to physically or chemically fix the porous support through physical adhesion, chemical adhesion, and chemical bonding. The fixing method may be appropriately selected depending on the kind of inducer used.
본 발명에 따른 유도물질 내재형 정삼투 분리막의 제조방법에 있어서, 상기 단계 1의 유도물질은 삼투압을 유발하는 고분자를 코팅한 입자 또는 고분자형 이온성 액체인 것이 바람직하다. In the method for producing an inducer-integrated forward osmosis membrane according to the present invention, the inducer of
상기 분리막에 유도물질로서 삼투압을 유발하는 고분자만을 다공성 지지체층 상에 코팅할 경우, 상기 고분자가 치밀층을 이루어 분리막을 투과하여 유입되는 물의 이동에 저항을 제공할 수 있다. 따라서, 입자에 삼투압을 유발하는 고분자를 코팅하고 이를 다공성 지지체 상에 형성시키면, 삼투압을 유발하면서도 입자 사이에 형성된 공간으로 인하여 유입되는 물의 이동에 저항이 발생하는 것을 저감시킬 수 있다. When only the polymer that induces osmotic pressure as an inducing material in the separator is coated on the porous support layer, the polymer may form a dense layer to provide resistance to movement of water introduced through the separator. Therefore, by coating the polymer to induce the osmotic pressure on the particles and to form it on the porous support, it is possible to reduce the occurrence of resistance to the movement of the incoming water due to the space formed between the particles while causing the osmotic pressure.
이때, 상기 삼투압을 유발하는 고분자는 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리아크릴산(PAA, polyacrylic acid), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmetacrylate), 폴리에틸렌이미드(polyethyleneimide), 셀룰로스 아세테이트(cellulose acetate), 셀룰로스 트리아세테이트(cellulosetriacetate), 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrolidone), 폴리에틸렌글리콜(polyethyleneglycol), 술폰화된 폴리술폰(polysulfone), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide) 및 폴리비닐아세테이트(polyvinylacetate)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 또는 이들의 공중합체인 것이 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile)은 하이드록시기, 술폰화기, 카르보닐기, 아세테이트기 및 에스테르기로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 친수성 관능기를 가지는 친수성 화합물과 공중합된 합성고분자를 사용할 수 있다.At this time, the polymer causing the osmotic pressure is polyacrylonitrile, polyacrylic acid (PAA, polyacrylic acid), polyacrylate, polymethyl methacrylate (polymethylmetacrylate), polyethyleneimide, cellulose Acetate, cellulose triacetate, polyvinylpyrolidone, polyethyleneglycol, sulfonated polysulfone, polyethylene oxide and polyvinylacetate It is preferably one or a copolymer thereof selected from the group consisting of, but is not limited thereto. In addition, the polyacrylonitrile may be a synthetic polymer copolymerized with a hydrophilic compound having any one hydrophilic functional group selected from the group consisting of a hydroxyl group, a sulfonated group, a carbonyl group, an acetate group, and an ester group.
이때, 상기 입자는 자성나노입자일 수 있으나, 상기 삼투압을 유발하는 고분자를 코팅하여 유도물질층으로 사용될 때 공간을 형성하여 유입수에 저항을 제공하지 않을 수 있는 입자라면 이에 특별히 한정되지 않는다.
In this case, the particles may be magnetic nanoparticles, but is not particularly limited as long as the particles may form a space when the polymer which induces the osmotic pressure is used as the inducer layer to not provide resistance to the influent.
또한, 상기 고분자형 이온성 액체는 다공성 지지체 상에 물리적 또는 화학적으로 고정되어 형성되는 경우 고분자가 다공성 지지체층상에서 고분자 기질을 형성하고, 이에 포함된 고분자형 이온성 액체가 삼투압을 유발할 수 있다.In addition, when the polymer type ionic liquid is physically or chemically fixed on the porous support, the polymer forms a polymer substrate on the porous support layer, and the polymer type ionic liquid contained therein may cause osmotic pressure.
상기 고분자형 이온성 액체는이미다졸륨 그룹을 포함하는 유기 양이온; 또는 이미다졸륨 그룹을 포함하는 유기 또는 무기 음이온;인 고분자형 이온성 화합물인 것이 바람직하다. The polymer ionic liquid may include an organic cation including an imidazolium group; Or an organic or inorganic anion containing an imidazolium group.
상기 고분자형 이온성 액체는 양이온 및 음이온의 조합에 따라 다양한 물리적, 화학적 특성을 갖는 고분자형 이온성 액체의 구성이 가능하다. 이때, 이미다졸륨 그룹을 포함하는 고분자형 이온성 액체 양이온의 구체적인 예로는 폴리(1-비닐-3-알킬이미다졸륨), 폴리(1-비닐-2-알킬이미다졸륨), 폴리(1-알릴-3-알킬이미다졸륨), 폴리(1-알릴-2-알킬이미다졸륨), 폴리(1-(메트)아크릴로일록시-3-알킬이미다졸륨) 등이 있다. 이때, 상기 고분자형 이온성 액체 양이온에 있어서, 알킬은 수소 또는 C1 내지 C20의 직쇄, 측쇄, 고리형 탄화수소일 수 있으나 선택적으로 N, O, S, P 드의 헤테로 원자를 하나 이상 포함할 수 있다. The polymer ionic liquid may be composed of a polymer ionic liquid having various physical and chemical properties according to a combination of cations and anions. In this case, specific examples of the polymer type ionic liquid cation containing an imidazolium group include poly (1-vinyl-3-alkylimidazolium), poly (1-vinyl-2-alkylimidazolium), and poly (1 -Allyl-3-alkylimidazolium), poly (1-allyl-2-alkylimidazolium), poly (1- (meth) acryloyloxy-3-alkylimidazolium) and the like. At this time, in the polymeric ionic liquid cation, alkyl may be hydrogen or C 1 to C 20 linear, branched, cyclic hydrocarbon, but may optionally include one or more heteroatoms of N, O, S, and P. Can be.
또한, 고분자형 이온성 액체 음이온으로는 CH3COO-, CF3COO-, CH3SO3 -, CF3SO3 -, (CF3SO2)2N-, (CF3SO2)3C-, (CF3CF2SO2)2N-, C4F9SO3 -, C3F7COO-, (CF3SO2)(CF3CO)N- 등을 사용하는 것이 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니다.
In addition, the polymer electrolyte ionic liquid anions include CH 3 COO -, CF 3 COO -,
본 발명에 따른 유도물질 내재형 정삼투 분리막의 제조방법에 있어서, 상기 단계 2는 상기 유도물질의 표면에 활성층을 코팅하는 단계이다.In the method of manufacturing an inducer-integrated forward osmosis membrane according to the present invention, the step 2 is a step of coating an active layer on the surface of the inducer.
상기 코팅은 친수성 고분자 물질을 박막 형태로 코팅할 수 있는 습식 코팅법으로 수행될 수 있고, 딥 코팅, 스핀 코팅, 스프레이 코팅 및 계면중합 등 공지된 바의 방법이 가능하며, 연속공정 또는 핸디코팅 등을 이용할 수 있다.
The coating may be performed by a wet coating method capable of coating a hydrophilic polymer material in a thin film form, and may be a well-known method such as dip coating, spin coating, spray coating, and interfacial polymerization, and may be a continuous process or a handy coating. Can be used.
이때, 상기 활성층의 소재는 폴리아마이드(PA, polyamide), 셀룰로스 아세테이트(CA, cellulose acetate) 및 셀룰로스 트리아세테이트(CTA, cellulose triacetate)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종인 것이 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니다.
At this time, the material of the active layer is preferably one selected from the group consisting of polyamide (PA, polyamide), cellulose acetate (CA, cellulose acetate) and cellulose triacetate (CTA, cellulose triacetate), but is not limited thereto.
또한, 본 발명은 In addition,
유입수가 유입되는 유입구 및 유입수가 유출되는 유출구를 포함하는 유입수부, 유입수부와 일면에서 접하는 상기의 유도물질 내재형 정삼투 분리막 및 상기 분리막의 타면과 접하는 투과부를 포함하되, 상기 유입수부는 상기 분리막의 활성층과 접하고, 상기 투과부는 상기 분리막의 다공성지지체층과 접하는 정삼투용 셀; 및An inlet part including an inlet for inflow and an outlet for inflow of the inlet, an inlet-type forward osmosis membrane in contact with the inflow part, and a permeation part in contact with the other side of the separator, wherein the inflow part of the separator A cell for forward osmosis in contact with the active layer and in contact with the porous support layer of the separator; And
상기 투과부와 연결되고, 상기 분리막을 통해 투과되어 유입된 투과용액을 투과부로 유동시키기 위한 진공펌프;A vacuum pump connected to the permeation unit and configured to flow the permeate solution introduced through the separation membrane into the permeation unit;
를 포함하는 유도물질 내재형 정삼투 분리막을 포함하는 정삼투 장치를 제공한다.
It provides a forward osmosis device comprising an induction material embedded forward osmosis membrane comprising a.
이하, 본 발명에 따른 정삼투 장치를 구성요소별로 상세히 설명한다.
Hereinafter, the forward osmosis apparatus according to the present invention will be described in detail for each component.
본 발명에 따른 정삼투 장치는 유입수가 유입되는 유입구 및 유입수가 유출되는 유출구를 포함하는 유입수부, 유입수부와 일면에서 접하는 상기의 유도물질 내재형 정삼투 분리막 및 상기 분리막의 타면과 접하는 투과부를 포함하되, 상기 유입수부는 상기 분리막의 활성층과 접하고, 상기 투과부는 상기 분리막의 다공성지지체층과 접하는 정삼투용 셀을 포함한다.
The forward osmosis apparatus according to the present invention includes an inflow portion including an inflow port into which the inflow water flows in and an outflow port through which the inflow water flows out, the induction material-integrated forward osmosis membrane contacting from one surface of the inflow water, and a permeation portion contacting the other surface of the separation membrane. However, the inflow portion is in contact with the active layer of the separator, the permeable part includes a forward osmosis cell in contact with the porous support layer of the separator.
상기 정삼투용 셀에서 유입구를 통해 유입수가 공급될 수 있다. 일정량의 유입수가 유입수부로 공급되면, 유입수부와 일면에서 접하는 상기의 유도물질 내재형 정삼투 분리막에서 삼투현상이 발생할 수 있다. 이는 상기 분리막에 유도물질이 내재되어 있어 삼투압을 발생시키므로, 유입수에 포함된 염 등의 불순물을 제외한 물분자만이 상기 분리막의 활성층으로 투과하는 현상이 발생한다. 상기 활성층을 통과한 물분자들은 유도물질층 및 다공성 지지체층을 통과하여 투과부로 이동할 수 있다.
Inflow water may be supplied through the inlet port in the forward osmosis cell. When a certain amount of influent is supplied to the influent, the osmotic phenomenon may occur in the inductive material-integrated forward osmosis membrane contacting the influent with one side. This induces osmotic pressure because the inducer is embedded in the separator, so that only water molecules excluding impurities such as salts included in the influent water penetrate into the active layer of the separator. The water molecules passing through the active layer may move to the transmission part through the inducer layer and the porous support layer.
본 발명에 따른 정삼투 장치는 상기 투과부와 연결되고, 상기 분리막을 통해 투과되어 유입된 투과용액을 투과부로 유동시키기 위한 진공펌프를 포함한다. The forward osmosis apparatus according to the present invention includes a vacuum pump connected to the permeation unit and flowing the permeate solution introduced through the separation membrane to the permeation unit.
본 발명에 따른 분리막은 유도물질이 내재되어 삼투압을 유발시켜 유입수가 분리막을 투과할 수 있는 동력을 제공한다. 상기 분리막의 활성층을 투과한 후 유도물질층 및 다공성 지지체층에 머무르는 물분자들을 유동시키고, 이를 정삼투용 셀의 투과부로 이동시키기 위한 추가적인 동력을 제공하기 위하여 진공펌프를 연결할 수 있다. 또한, 스위핑 가스(sweeping gas)를 사용할 수 있다.
The separator according to the present invention has a built-in induction material to induce osmotic pressure to provide a power for the influent to penetrate the membrane. After passing through the active layer of the membrane, the water molecules staying in the inducer layer and the porous support layer may be flowed, and a vacuum pump may be connected to provide additional power for moving them to the permeation part of the forward osmosis cell. In addition, a sweeping gas may be used.
나아가, 본 발명은 Further,
정삼투용 셀에 상기의 유도물질 내재형 정삼투 분리막을 장착하되, 상기 분리막의 활성층은 정삼투용 셀의 유입수부와 접하고 상기 분리막의 다공성지지체층은 정삼투용 셀의 투과부와 접하도록 장착하는 단계(단계 1):The forward osmosis membrane of the above-described inducer-integrated type is mounted on the forward osmosis cell, wherein the active layer of the separator contacts the inflow part of the forward osmosis cell, and the porous support layer of the separator contacts the permeation part of the forward osmosis cell. Step (Step 1):
상기 정삼투용 셀의 유입수부에 유입수를 공급하여 정삼투를 수행하는 단계(단계 2); 및Performing forward osmosis by supplying inflow water to the inflow portion of the forward osmosis cell (step 2); And
상기 단계 2에서 정삼투되어 유입된 투과용액을 전공펌프를 이용하여 투과부로 유동시키는 단계(단계 3);Flowing the permeate solution introduced by osmosis in step 2 to the permeation unit using a electroporation pump (step 3);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 정삼투 방법을 제공한다.
It provides a forward osmosis method characterized in that it comprises a.
이하, 본 발명을 단계별로 상세히 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail by steps.
본 발명에 따른 정삼투 방법에 있어서, 상기 단계 1은 정삼투용 셀에 상기의 유도물질 내재형 정삼투 분리막을 장착하되, 상기 분리막의 활성층은 정삼투용 셀의 유입수부와 접하고 상기 분리막의 다공성 지지체층은 정삼투용 셀의 투과부와 접하도록 장착하는 단계이다. In the forward osmosis method according to the present invention, the
상기 분리막은 활성층이 유입수부와 대면하도록 배치됨으로써, 이후의 단계에서 유입수에 포함된 물분자들이 분리막의 활성층을 통해 투과하여 이동할 수 있다.
The separator may be disposed such that the active layer faces the influent portion, so that water molecules included in the influent may pass through the active layer of the separator in a later step.
본 발명에 따른 정삼투 방법에 있어서, 상기 단계 2는 상기 정삼투용 셀의 유입수부에 유입수를 공급하여 정삼투를 수행하는 단계이다. In the forward osmosis method according to the present invention, step 2 is a step of performing forward osmosis by supplying the inflow water to the inlet portion of the forward osmosis cell.
상기 정삼투용 셀에서 유입구를 통해 유입수가 공급될 수 있다. 일정량의 유입수가 유입수부로 공급되면, 유입수부와 일면에서 접하는 상기의 유도물질 내재형 정삼투 분리막에서 삼투현상이 발생할 수 있다. 이는 상기 분리막에 유도물질이 내재되어 있어 삼투압을 발생시키므로, 유입수에 포함된 염 등의 불순물을 제외한 물분자만이 상기 분리막의 활성층으로 투과한다. 상기 활성층을 통과한 물분자들은 유도물질층 및 다공성 지지체층을 통과하여 투과부로 이동할 수 있다.
Inflow water may be supplied through the inlet port in the forward osmosis cell. When a certain amount of influent is supplied to the influent, the osmotic phenomenon may occur in the inductive material-integrated forward osmosis membrane contacting the influent with one side. Since the inducer is embedded in the separator to generate osmotic pressure, only water molecules, excluding impurities such as salts contained in the influent, permeate into the active layer of the separator. The water molecules passing through the active layer may move to the transmission part through the inducer layer and the porous support layer.
본 발명에 따른 정삼투 방법에 있어서, 상기 단계 3은 상기 단계 2에서 정삼투되어 유입된 투과용액을 전공펌프를 이용하여 정삼투용 셀의 투과부로 유동시키는 단계이다. In the forward osmosis method according to the present invention,
본 발명에 따른 분리막에서 물분자들이 활성층을 투과한 후 유도물질층 및 다공성 지지체층에 머무르는 물분자들을 진공펌프를 이용하여 유동시키고, 또한 유도물질 이외에 삼투현상을 발생시키기 위한 추가적인 동력을 제공할 수 있다.
In the separation membrane according to the present invention, water molecules which permeate the active layer and then remain in the inducer layer and the porous support layer may be flown using a vacuum pump, and may provide additional power for generating an osmotic phenomenon in addition to the inducer. have.
이하, 본 발명을 하기 실시예를 통해 더욱 상세하게 설명한다. 하기 실시예들은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기 위하여 예시되는 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시예들에 의해 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. The following examples are only illustrated to explain the present invention in more detail, the present invention is not limited by the following examples.
<실시예 1> 정삼투 분리막의 제조 1Example 1 Preparation of
단계 1: 폴리비닐리덴 플로라이드(PVDF, polyvinylidene fluoride)를 20 중량%, 용매인 노말메틸피롤리돈(n-Methyl Pyrrolidone)을 65 중량%, 기공형성제로 폴리에틸렌 글라이콜(polyethylene glycol)을 15 중량%의 조성으로 혼합하여 도포용액을 제조한 후 이를 유리판에 고정시킨 부직포(non-woven) 위에 도포(casting)하였다. 이때, 상기 도포용액은 부직포 기준으로 500 ㎛ 두께로 설정한 닥터 블레이드(doctor blade)를 이용하여 도포되었다. 또한, 폴리이서설폰(PES, polyethersulfone)을 10 중량%, 용매인 노말 메틸 피롤리돈(n-Methyl pyrrolidone)을 45 중량%, 철(Ⅲ) 아세틸아세토네이트(Iron(Ⅲ) acetylacetonate) 표면에 폴리아크릴산을 코팅한 후 약 270℃에서 열처리하여 제조된 유도물질(입자크기 약 30 nm)을 45 중량%의 조성으로 혼합한 용액을 상기 도포용액 위에 부직포 기준으로 600 ㎛ 두께로 설정한 닥터 블레이드(doctor blade)를 이용하여 도포(casting)한 후 비용매유도상전이(NIPS, Nonsolvent-Induced Phase Separation) 방법으로 부직포 위에 지상구조의 다공성 지지체와 그 위에 다공성의 유도물질층이 형성된 평막(flat membrane) 형태의 분리막을 제조하였다. 이때, 상기 비용매유도상전이 방법은 비용매인 초순수가 담겨있는 응고조(coagulation bath)에 침지시켜 수행되었다.
Step 1: 20 wt% of polyvinylidene fluoride (PVDF), 65 wt% of n-Methyl pyrrolidone (solvent), and 15 g of polyethylene glycol as a pore-forming agent The coating solution was prepared by mixing the composition in a weight%, and then cast it onto a non-woven fabric fixed to a glass plate. At this time, the coating solution was applied by using a doctor blade (doctor blade) set to a thickness of 500 ㎛ on a non-woven fabric. In addition, 10% by weight of polyethersulfone (PES), 45% by weight of n-Methyl pyrrolidone (solvent), and poly (I) acetylacetonate (Iron (III) acetylacetonate) on the surface A doctor blade having a thickness of 600 μm on a nonwoven fabric on a coating solution is prepared by mixing a 45% by weight of an inducer (particle size of about 30 nm) prepared by coating acrylic acid and then heat-treating at about 270 ° C. After casting by using a blade, a non-solvent-induced phase separation (NIPS) method is used to form a flat membrane with a porous support of a ground structure on a nonwoven fabric and a layer of porous inducer formed thereon. A separator was prepared. In this case, the non-solvent induction phase transition method was performed by immersing in a coagulation bath containing ultrapure water, which is a non-solvent.
단계 2: 셀룰로즈 트리아세테이트(CTA, cellulose triacetate) 13 중량%, 1,4-다이옥산(1,4-dioxane)과 아세톤(acetone)의 혼합용매(3:1) 80 중량%, 메탄올(methanol) 4.5 중량%, 및 말산(malic acid) 2.5 중량%의 조성으로 혼합용액을 제조한 후 상기 단계 1에서 제조된 유도물질을 포함하는 평막형 다공성 지지체 위에 코팅하여 활성층을 형성함으로써 유도물질 내재형 정삼투 분리막을 제조하였다.
Step 2: 13 wt% cellulose triacetate (CTA), 80 wt% mixed solvent of 1,4-dioxane and acetone (3: 1), methanol 4.5 After preparing a mixed solution in a composition of 2.5% by weight, and 2.5% by weight of malic acid, coated on the flat porous support including the inducer prepared in
<실시예 2> 정삼투 분리막의 제조 2Example 2 Preparation of Forward Osmosis Membrane 2
본 발명에 따른 실시예 1의 단계 1에서 다공성 지지체를 제조한 다음 그 위에 폴리비닐알코올(PVA, polyvinylalcoho)을 10 중량%, 용매인 초순수물(Deionized water)을 45 중량% 및 철(Ⅲ) 아세틸아세토네이트(Iron(Ⅲ) acetylacetonate) 표면에 폴리아크릴산을 코팅한 후 약 270℃에서 열처리하여 제조된 유도물질(입자크기 약 30 nm)을 45 중량%의 조성으로 혼합한 용액을 상기 다공성 지지체 위에 코팅한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 정삼투 분리막을 제조하였다.
In
<실시예 3> 정삼투 분리막의 제조 3Example 3 Preparation of
본 발명에 따른 실시예 1의 단계 1에서 폴리비닐리덴 플로라이드를 포함하는 다공성 지지체를 제조한 다음 그 위에 폴리(1-비닐-2-메틸이미다졸륨)을 도포하여 유도물질층이 형성된 평막(flat membrane) 형태의 분리막을 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 정삼투 분리막을 제조하였다.
In
<실시예 4> 정삼투 분리막 공정Example 4 Forward Osmosis Membrane Process
단계 1: 정삼투용 셀에 상기 실시예 1에서 제조한 유도물질 내재형 정삼투 분리막을 장착하되, 상기 분리막의 활성층은 정삼투용 셀의 유입수부와 접하고 상기 분리막의 다공성 지지체층은 정삼투용 셀의 투과부와 접하도록 장착하였다.Step 1: equip the forward osmosis cell with the inducer-integrated forward osmosis membrane prepared in Example 1, wherein the active layer of the membrane contacts the inlet of the forward osmosis cell and the porous support layer of the membrane is for forward osmosis. Mounted to contact the permeation of the cell.
단계 2:상기 정삼투용 셀의 유입수부에 초순수를 50 ml/min의 유량으로 공급한 후 정삼투를 수행하였다.Step 2: After supplying ultrapure water at a flow rate of 50 ml / min to the inlet portion of the forward osmosis cell was performed forward osmosis.
단계 3: 상기 단계 2에서 정삼투되어 유입된 투과용액을 전공펌프를 이용하여 투과부로 유동시켜 투과된 초순수를 5 l/m2h 로 회수하였다.
Step 3: The permeate solution introduced by osmosis in Step 2 was flowed to the permeation unit using a electroporation pump to recover the permeate ultrapure water at 5 l / m 2 h.
<실험예 1> 주사전자현미경Experimental Example 1 Scanning Electron Microscope
본 발명에 따른 유도물질 내재형 정삼투 분리막의 미세구조에 대하여 알아보기 위하여 실시예 1에서 제조한 유도물질 내재형 정삼투 분리막의 단면을 주사전자현미경으로 관찰하였고, 그 결과를 도 4에 나타내었다. In order to examine the microstructure of the inducer-containing forward osmosis membrane according to the present invention, the cross section of the inducer-containing forward osmosis membrane prepared in Example 1 was observed with a scanning electron microscope, and the results are shown in FIG. 4. .
도 4에 따르면, 다공성 지지체층에 기공이 형성되어 있는 것을 확인할 수 있고, 상기 다공성 지지체층 상에 보다 얇은 두께로 유도물질층이 형성되어있는 것을 확인할 수 있다. 또한 유도물질층 상에 박막형태의 활성층이 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 본 발명에 따라 제조된 정삼투 분리막이 다공성 지지체층; 유도물질층; 및 활성층으로 이루어진 구조를 가지는 것을 알 수 있다.
According to Figure 4, it can be seen that the pores are formed in the porous support layer, it can be seen that the inductive material layer is formed in a thinner thickness on the porous support layer. In addition, it can be seen that a thin film-type active layer is formed on the inductive material layer. Through this, the forward osmosis membrane prepared according to the present invention is a porous support layer; Inducer layer; And it can be seen that it has a structure consisting of an active layer.
1: 활성층(active layer)
2: 유도물질층(draw material layer)
3: 다공성 지지체의 기질(matrix)
4: 다공성 지지체의 기공(pore)
5: 활성층(active layer)
6: 유도물질층(draw material layer)
7: 다공성 지지체의 기공(pore)1: active layer
2: draw material layer
3: matrix of the porous support
4: pore of porous support
5: active layer
6: draw material layer
7: pore of porous support
Claims (10)
상기 다공성 지지체 일면에 물리적 또는 화학적으로 고정되는, 삼투압을 유발하는 고분자를 코팅한 입자 또는 고분자형 이온성 액체인 유도물질을 포함하는 유도물질층; 및
상기 유도물질층 상에 코팅된 활성층;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 유도물질 내재형 정삼투 분리막.
A porous support layer;
An inducer layer comprising an inducer that is physically or chemically fixed to one surface of the porous support, coated with a polymer that induces osmotic pressure, or a polymer type ionic liquid; And
An active layer coated on the inducer layer;
Inducer-intrinsic forward osmosis membrane, characterized in that it comprises a.
상기 다공성 지지체는 폴리설폰(PSf, polysulfon), 폴리이서설폰(PES, polyethersulfone), 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF, polyvinyl), 폴리이미드(PI, polyimide), 폴리이서이미드(PEI, polyetherimide), 폴리프로필렌(PP, polypropylene) 및 폴리에틸렌(PE, polyethylene)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종인 것을 특징으로 하는 유도물질 내재형 정삼투 분리막.
The method of claim 1,
The porous support is polysulfone (PSf, polysulfon), polyisulfone (PES, polyethersulfone), polyvinylidene fluoride (PVDF, polyvinyl), polyimide (PI, polyimide), polyimide (PEI, polyetherimide), poly Induced material-intrinsic forward osmosis membrane, characterized in that one kind selected from the group consisting of propylene (PP, polypropylene) and polyethylene (PE, polyethylene).
상기 삼투압을 유발하는 고분자는 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리아크릴산(PAA, polyacrylic acid), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmetacrylate), 폴리에틸렌이미드(polyethyleneimide), 셀룰로스 아세테이트(cellulose acetate), 셀룰로스 트리아세테이트(cellulosetriacetate), 폴리비닐피롤리돈(polyvinylpyrolidone), 폴리에틸렌글리콜(polyethyleneglycol), 술폰화된 폴리술폰(polysulfone), 폴리에틸렌옥사이드(polyethylene oxide) 및 폴리비닐아세테이트(polyvinylacetate)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 또는 이들의 공중합체인 것을 특징으로 하는 유도물질 내재형 정삼투 분리막.
The method of claim 1,
The polymer causing the osmotic pressure is polyacrylonitrile, polyacrylic acid, polyacrylate, polymethylmethacrylate, polyethyleneimide, cellulose acetate (polyacrylonitrile). consisting of cellulose acetate, cellulosetriacetate, polyvinylpyrolidone, polyethyleneglycol, sulfonated polysulfone, polyethylene oxide and polyvinylacetate Inducer-intrinsic forward osmosis membrane, characterized in that one or a copolymer thereof selected from the group.
상기 고분자형 이온성 액체는 이미다졸륨 그룹을 포함하는 유기 양이온; 또는 이미다졸륨 그룹을 포함하는 유기 또는 무기 음이온;인 고분자형 이온성 화합물인 것을 특징으로 하는 유도물질 내재형 정삼투 분리막.
The method of claim 1,
The polymer type ionic liquid may include an organic cation including an imidazolium group; Or an organic or inorganic anion containing an imidazolium group; an inductive material-integrated forward osmosis membrane, characterized in that it is a polymeric ionic compound.
상기 활성층의 소재는 폴리아마이드(PA, polyamide), 셀룰로스 아세테이트(CA, cellulose acetate) 및 셀룰로스 트리아세테이트(CTA, cellulose triacetate)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종인 것을 특징으로 하는 유도물질 내재형 정삼투 분리막.
The method of claim 1,
The active layer material is polyamide (PA, polyamide), cellulose acetate (CA, cellulose acetate) and cellulose triacetate (CTA, cellulose triacetate) characterized in that the one selected from the group consisting of intrinsic material-type forward osmosis membrane .
상기 유도물질층의 표면에 활성층을 코팅하는 단계(단계 2);
를 포함하는 유도물질 내재형 정삼투 분리막의 제조방법.
Preparing an inducer that induces osmotic pressure to physically or chemically fix the inducer to one surface of the porous support layer to form an inducer layer (step 1); And
Coating an active layer on the surface of the inducer layer (step 2);
Method for producing an inductive material-internal forward osmosis membrane comprising a.
상기 단계 1의 유도물질은 삼투압을 유발하는 고분자를 코팅한 입자 또는 고분자형 이온성 액체인 것을 특징으로 하는 유도물질 내재형 정삼투 분리막의 제조방법.
The method of claim 7, wherein
The method of claim 1, wherein the inducer of step 1 is a particle or polymer type ionic liquid coated with a polymer that induces osmotic pressure.
상기 투과부와 연결되고, 상기 분리막을 통해 투과되어 유입된 투과용액을 투과부로 유동시키기 위한 진공펌프;
를 포함하는 유도물질 내재형 정삼투 분리막을 포함하는 정삼투 장치.
An inlet including an inlet for the inlet and an outlet for the inflow of the inlet, an inlet-type forward osmosis membrane of claim 1 in contact with the inlet and a permeate in contact with the other side of the separator, wherein the inlet is the separator A cell for forward osmosis in contact with an active layer of the cell and in contact with a porous support layer of the separator; And
A vacuum pump connected to the permeation unit and configured to flow the permeate solution introduced through the separation membrane into the permeation unit;
Forward osmosis device comprising an inductive material embedded forward osmosis membrane comprising a.
상기 정삼투용 셀의 유입수부에 유입수를 공급하여 정삼투를 수행하는 단계(단계 2); 및
상기 단계 2에서 정삼투되어 유입된 투과용액을 전공펌프를 이용하여 투과부로 유동시키는 단계(단계 3);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 정삼투 방법.
The forward osmosis membrane is equipped with an intrinsic material-type forward osmosis membrane according to claim 1, wherein the active layer of the membrane contacts the inflow portion of the forward osmosis cell, and the porous support layer of the membrane contacts the permeation portion of the forward osmosis cell. To be mounted (step 1):
Performing forward osmosis by supplying inflow water to the inflow portion of the forward osmosis cell (step 2); And
Flowing the permeate solution introduced by osmosis in step 2 to the permeation unit using a electroporation pump (step 3);
Forward osmosis method comprising a.
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